高电压技术王富荣9月.ppt

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1、高 电 压 技 术王富荣2009年9月,西南交通大学电气工程学院,绪 论,高电压技术 研究高电压（强电场）下的电气物理问题,电力系统：输送的功率一定时，输电线路电压越高，功率损耗越低，输送距离越远。大功率、远距离输电高压、超高压、特高压电网 我国 中压电网 63、35、10 kV 高压电网 110、220 kV 超高压电网 330、500kV、750kV 特高压电网 1000kV另有直流输电网：800kV；660kV；500kV,电力系统（牵引供电系统）的高电压技术问题,电气化铁道牵引供电系统：110（或220）kV/27.5kV高压供 电网络,牵引供电系统电气原理示意图,电力系统（牵引供电系

2、统）高电压问题：,电介质的电气强度,电气绝缘试验技术,电力系统过电压及其防护,高电压技术的应用：高能物理（粒子加速器）医学（基于高电压的医疗器械 X光机、CT）环保（静电除尘、烟气脱硫（硝）、污水处理、汽车 尾气处理）食品卫生（杀毒灭菌）高压静电喷涂。,1 气体放电的基本物理过程,正常使用，电介质为良好的绝缘体过高电压下，发生放电、失去绝缘性 击穿。,1.1 带电质点的产生、运动和消失,气体放电的原因：气体中出现带电质点,气体中出现带电质点的原因：电离电离：当原子（分子）获得足够大的外加能量，电子脱离原子核的束缚，成为自由电子。电离形式：气体分子电离 阴极表面电离阴极表面发射自由电子,电离能使

3、气体分子发生电离所需要的最小能量。逸出功使阴极表面发射电子所需要的最小能量单位：电子伏特（ev),一、气体中带电质点的产生,表1-1 气体分子的电离能,气体电离方式 电子碰撞电离-电子被电场加速获得动能，在和气体 分子碰撞时，把动能传给后者引起碰 撞电离。条件：自由电子的动能气体分子的电离能。,光电离光辐射引起的气体分子电离条件：光子的能量气体分子的电离能。,热电离高温（数千度以上）气体产生的气体分子电离 气体分子碰撞电离 热辐射电离,阴极表面电离方式,正离子撞击阴极表面光电子发射热电子发射强场发射。,阴极表面逸出功气体分子电离能不同的金属材料逸出功不同,表1-2 一些金属的逸出功,负离子的形

4、成,附着：电子与中性分子相结合形成负离子。负离子的形成并未使气体中带电质点的数目改变，但却使自由电子数减少，因而对气体放电的发展起抑制作用,二、带电质点的运动和消失,定向运动 带电粒子在电场的驱动下，沿电场方向运动，到达电极时，消失于电极上而形成电流。扩散 带电粒子从浓度高的地方向浓度低的地方移动因而 逸出气体放电空间。复合 正离子和负离子或电子相遇，发生电荷传递而互相 中和，还原为中性分子的过程。,复合是电离的逆过程 以光子形式向外释放能量，可导致 光电离,1.2 汤逊放电理论,一、气隙中的放电电流,二、电子崩,电子崩的形成,电子碰撞电离系数：,图1-4a 电子崩的形成,电子崩中带电粒子分布

5、,图1-4b 电子崩中带电粒子分布,三、电子崩（过程）产生的电流 设：单位时间从阴极发出 n0个自由电子 因：电子崩过程 在：x处为 n个 在：xdx处为 n+dn个 则：dnndx 积分得：n=n0ed X=d:na=n0ed,则：电子崩所引起的放电电流：I=I0ed（19)I0n0e 饱和电流（由外界电离因素形成）若：n00 I0=0 放电需依靠外界电离因素维持 非自持放电,四、过程同时作用引起的电流,过程正离子撞击阴极表面电离正离子撞击阴极表面电离系数（每一个正离子撞击阴极表面时，使阴极表面所 发射的自由电子数），决定于气体种类和阴极材料，不同金属材料其值不同。,同时考虑、过程极间自由电

6、子数目变化：,阴极表面 到达阳极 过程使气隙中产生 过程使阴极表面发射 n0 n0ed n0（ed1）n0（ed1）.nc nced nc（ed1）nc（ed1）,平衡状态下：nc=n0+nc（ed1）,则：nc=n0/1-（ed1）,阳极：na nc ed n0 ed/1-（ed1）,放电电流：Ia=I0 ed/1-（ed1）,自持放电的条件,若使：1-（ed1）0 则：I0=0,I0-去掉外界电离因素，放电可依靠间隙自身电离（过程）维持-自持放电。,自持放电的条件：（ed1）1,物理意义：每一个从阴极出发的自由，在消失于阳极之 前，因、过程，使阴极产生一个新的自 由电子，以维持间隙的的电离

7、过程，放电 得以自持。,放电形式：辉光放电、火花放电、电弧放电,五、击穿电压与气压的关系（巴申定律）将：ApeBP/Eb，EbUb/d 代入自持放电条件：（ed1）1,可得击穿电压：,击穿电压随pd乘积变化且存在极值,即：,六 汤逊放电理论的局限,1.放电外形汤逊理论：放电应是充满整个电极间、均匀、连续发展的。实际：大气压下，放电路径贯穿两极细通道且具有分支、放电多为间歇性、不均匀（如火花放电、雷电）,2.阴极材料汤逊理论：阴极材料的特性对击穿过程起重要作用。实际：大气压下，击穿电压与阴极材料无关。,3.放电时间汤逊理论：击穿需时较长，。实际：大气压下，击穿需时很少。,汤逊理论适用于pd26.

8、6kpa.cm的情况。原因：1.没有考虑空间电荷对电场的畸变 2.没有考虑空间光电离作用,汤逊放电理论适用于：低气压、短间隙（pd26.66kpa.cm),1.3 气体放电的流注理论,流注理论-分析高气压、长间隙下的气体放电过程,流注理论：强调了空间电荷对电场的畸变作用 认为电子碰撞电离、空间光电离为主要电离因素,一、空间电荷对电场的畸变作用 电子崩中正负电荷形成的电场导致空间电场畸变,电子崩头、崩尾电场增强 正负电荷衔接区电场减弱，正负电荷衔接区中带电粒子（正、负离子）浓度十分高,二、空间光电离的作用 正负电荷衔接区带电粒子复合，带电粒子浓度足够高，复合运动剧烈，可引起光电离，产生光电子 光

9、电子在电场作用下运动，电子碰撞电离，导致二次电子崩,三、流注的形成和发展 二次电子崩中带电粒子不断汇初崩通道，构成正负离子混合的导电区流注,图1-9 从电子崩到流注的转换,图1-10 负流注的形成,1.4 不均匀电场中的放电过程,一、不均匀电场的放电特点均匀电场（平板电极）：达到自持放电条件，间隙击穿。稍不均匀电场（同轴圆柱电极、球隙等）：达到自持放电 条件，间隙击穿，间隙平均击穿场强低于均匀电场。极不均匀电场（棒-棒电极、棒-板电极）：出现电晕放电阶段，间隙平均击穿场强低于均匀电场和稍不均匀电场,电晕放电：外加电压达到一定数值时，在小曲率半径 电极处强烈电离，出现流注，为局部范围 的自持放电

10、，间隙仍保持绝缘状态。电晕起始电压：开始出现电晕放电时，极间所加电压。,击穿过程：u 电晕区扩大放电电流.u 进一步增加到一 定数值，导致间隙击穿。,二、输电线路电晕 交流 输电线路电晕起始场强（幅值）皮克公式式中：m1 导线表面粗糙系数，光滑导线,绞线 m2 气象系数 取0.8-1.0；空气相对密度；r 导线半径（cm）。输电线路电晕危害 放电脉冲产生高频电磁波，形成无线干扰。产生电晕损耗。产生化学腐蚀。防止（减轻）输电线路电晕的措施 减小导线表面场强，对330kV及以上线路，采用分裂导线。,三、极性效应,放电一定从曲率半径小的电极表面开 始。,极性效应击穿电压与小曲率半径电极极性有关,典型

11、的极不均匀电场-棒-板间隙棒板间隙：放电发展过程存在明显的极性效应 直流下及冲击电压：工频电压下：击穿总发生在棒极为正的半周内。,出现极性效应的原因棒为正：出现电晕后，棒极附近滞留的正空间电荷加 强了流注头部电场，放电易于发展。棒为负：出现电晕后，棒极附近滞留的正空间电荷减 弱了流注头部电场，放电不易发展。,正极性“棒-板”间隙中的电场畸变 负极性“棒-板”间隙中的电场畸变,四、长空气间隙放电过程,先导放电过程 主放电过程,1.5 放电时间和冲击电压下的气隙击穿,一、放电时间 完成气隙击穿的三个必备条件：足够高的电场强度或（电压）；气隙中出现能引起电子崩并导致流注 的有效电子；需要有一定的时间

12、，让放电得以逐步发展 并完成击穿。完成击穿所需的时间是很短的（微秒级）。直流、工频下放电时间对击穿电压无影响；冲击电压，击穿电压和放电时间有关。,放电时间的组成,总放电时间：tb=t1+ts+tf,t1电压上升时间，气隙电压从0上升 到Us上升到所需时间。ts统计时延，从t1 开始到气隙出现 第一个有效电子所需的时间；tf 放电形成时延，出现有效电子到 完成气隙的击穿需要的时间。,图1-14 放电时间的组成,二、冲击电压标准波形（一）标准雷电冲击电压波 图1-15 雷电冲击电压波形的标准化 T1视在波前时间；T2视在半峰值时间；Um冲击电压峰值 IEC和国标的规定为：T11.2 s 30 T2

13、50 s 20 记为1.2/50 s，,u/um,（二）标准雷电截波 标准雷电截波：用来模拟雷电过电压引起气隙击穿或 外绝缘闪络后所出现的截尾冲击波。图1-16 雷电截波 IEC和国标规定为：T11.2 s 30波前时间 Tc=2 5 s 截断时间,u/um,（三）标准操作冲击电压波 图1-17 操作冲击试验电压波形（a）非周期性双指数冲击波；（b）衰减振荡波 IEC和国标规定：Tcr250 s 20 波前时间 T22500 s 60 半峰值时间,三、冲击电压下气隙的击穿特性 间隙耐电强度表示：持续电压作用下击穿电压 冲击电压下 U50%（50冲击击穿电压）间隙伏秒特性 原因：放电时间对冲击击

14、穿电压的影响，放电 有分散性。（一）U50%50冲击击穿电压 U50%表征气隙的耐受冲击电压的能力。指气隙被击穿的的概率为50%的冲击电压峰值 同一间隙雷电冲击u50%和操作冲击U50%不同,（二）伏秒特性伏秒特性表示气隙冲击击穿电压与放电时间 的关系曲线。通过实验方法取得伏秒特性曲线 伏秒特性曲线用于系统绝缘配合,平均伏秒特性曲线 实际的伏秒特性曲线，是一个以上、下包络线为 界的带状区域。通常取50伏秒特性或平均伏秒特性曲线来表征一 个气隙的冲击击穿特性。,图1-19 伏秒特性带与50伏秒特性 1上包络线；250伏秒特性；3下包络线,1.6 气体介质的电气强度,了解气体放电的基本物理过程，有

15、助于分析、说明各种气隙在各种高电压下的击穿规律和实验结果。对气体介质的电气强度（击穿电压或击穿场强）定量分析，采用实验方法气体电气强度首先取决于电场形式 均匀电场：平行板电极 稍不均匀电场：球球，同轴圆筒 极不均匀电场：棒棒（对称电场）棒板（不对称电场）气体的击穿特性与所加电压的类型有很大关系 主要的四种类型电压波形：工频交流电压、直流电压、雷电过电压波和操作过电压波。,1.6.1 均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性,一、均匀电场的击穿特性 各处电场强度相等，击穿所需时间短 直流、工频和冲击电压作用下的击穿电压相同。击穿电压的分散性很小,图1-11 均匀电场空气间隙击穿电压峰值随极间距离的变化,

16、二、稍不均匀电场下气隙的击穿电压 一旦出现局部放电就导致整个气隙的击穿。实例：球-球、球-板、同轴圆筒、平行圆柱等球间隙:电场不均匀度随着球间距离d与球极直径D之 比增大而增加。,直流击穿电压=工频击穿电压（峰值）=U50%（冲击击穿电压）击穿场强比均匀电场下低各种稍不均匀电场下气隙的击穿电压见式（1-37）-（1-60）,1.6.2 极不均匀电场下气隙的击穿电压气隙中各处场强差别很大，存在电晕放电阶段和极性效应,典型极不均匀电场 对称：棒-棒、线-线 不对称：棒-板、线-板,“棒-棒”和“棒-板”空气间隙直流击穿电压曲线,直流电压下平均耐受场强（10cmd300cm):正棒-负板 约为 4.

17、5Kv/cm;负棒-板 约为 10Kv/cm 棒-棒约为 5.4Kv/cm,工频交流电压下棒-板 击穿总是发生在棒为负的半波,雷电冲击电压下,1.7 大气条件对气隙击穿特性的影响及校正,大气条件：空气密度、湿度 密度增加，击穿电压上升，均匀电场和稍不均匀电场下，湿度对击穿电压基本无影响 极不均匀下电场湿度增加，击穿电压有所提高。,一、空气密度、湿度的校正的校正 在不同的大气状态下，外绝缘的击穿电压按下式校正：UKd/Kh*U0 U-试验条件下外绝缘的击穿电压 U0-标准大气条件下外绝缘的击穿电压 Kd-空气密度校正因数 Kh-湿度校正因数 标准大气条件：P0=101.3kPa t0=20 h0

18、=11g/m3,m指数，取决与电压形式、距离等，查图可得,k绝对湿度函数，取决于绝对湿度和电压极性，查图可得,二、海拔高度的影响 海拔高度 1000mH4000m,基本途径：1.改善电场分布，尽量均匀 2.削弱或抑制气体电离过程,1.8 提高气体电气强度的方法,具体措施：1.改进电极形状以使电场尽量均匀 2.采用屏障 3.采用高气压 4.采用真空 5.采用高强度气体,1.9 沿面放电和污闪事故,一、沿面放电概念 带电导体用固体绝缘装置将它们悬挂起来或支撑起来。绝缘子一个电极接电压，一个电极接地。绝缘的丧失：1)固体介质本身击穿;2)沿面闪络 沿面放电-沿着固体介质表面发展的气体放电 现象。沿面

19、闪络-沿着放电沟通两电极。污闪-沿着污秽固体电介质表面发生的闪络。绝缘子 干闪络电压 湿干闪络电压 污秽闪络电压,二、沿面放电的类型与特点,固体介质与其体介质交接面电场分布的三种典型情况：,1)均匀电场，固体介质界面与电力线平行2)稍不均匀电场，切线分量Et大于垂直分量En3)极不均匀电场，垂直分量En比切线分量Et要大得多,（一）均匀和稍不均匀电场中的沿面放电 平板电极间插入一块固体介质，沿面闪络电压比纯空气间隙时的击穿电压下降很多，原因：（1）固体介质与电极表面接触不良，存在小气隙。（2）大气中的潮气吸附到固体介质的表面形成薄水膜，水膜中的离子电荷聚集于电极附近，固体介质沿面电 场分布不均

20、（3）固体表面粗糙不平会造成电场畸变。,（二）极不均匀电场且具有强垂直分量时的沿面放电 放电发展过程如图124 外施电压升高 电压超过某一值 电压再升高电晕放电 辉光放电 滑闪放电 闪络（法兰附近）特点：出现滑闪放电（不稳定的树枝状火花放电）原因：辉光放电出现的大量带电粒子，在强垂直分量作用下，紧贴固体表面运动，是固体表面因摩擦产生高温，导 致气体分子热电离，火化通道带电粒子数目剧增，火 化通道向前延伸，滑闪放电。滑闪放电树枝中的一枝沟通两电极时，沿面闪络。（三）极不均匀电场中垂直分量很弱时的沿面放电 沿面闪络过程中无滑闪放电（不会出现热电离）平均闪络场强比均匀电场时低得多；但大于强垂直 电场

21、分量时的平均闪络场强。,三、影响沿面闪络电压的因素（一）固体介质材料 取决于材料得亲水性或憎水性（二）电场型式 固体介质表面电场越均匀，闪络电压越高。四、绝缘子在淋雨状态下的沿面闪络 绝缘子在淋雨状态下的沿面闪络湿闪络。u湿闪 u干闪 湿闪途径：（1）沿湿表面AB和干表面BCA发展，缘子湿闪电压为干 闪时的4050（2）沿湿表面AB和空气间隙BA发展，绝缘子湿闪电压 比干闪时不会下降很多（3）沿湿表面AB和水流BB发展，湿闪电压降低到很低 的数值,五、绝缘子污秽状态下的沿面闪络,绝缘子污秽原因：工业粉尘、废气、自然盐碱、灰尘等污 秽 物的污染。污垢层：干燥状态，导电性较小；大雨时被冲刷干净，均

22、不 会影响运行。污闪：污秽绝缘子在毛毛雨、雾、露等不利天气时，在工 作电压下发生的闪络。,污闪过程：污层将被水分湿润 电导 工作电压下泄 漏电流 绝缘子表面污层上出现局部烘干 区烘干区电场强度 烘干区击穿烘干 区出现电弧放电泄漏 电流 出现新的烘 干区新的烘干区击穿电弧拉长.弧道不断延伸发展（称为爬电）弧道贯穿 两极沿面闪络。,污区等级：0级,等值盐密：将绝缘子污垢层的导电性能还算为单位面 积含盐量。,爬电比距：每千伏线电压所需要的爬电距离。,污闪危害：造成系统长时间、大面积停电。,防污闪措施：增大爬距 定期清扫 涂憎水性涂料 涂半导体釉 采用合成绝缘子,污区等级：0级,2.2 极不均匀电场气

23、隙的击穿特性,“棒棒”气隙-完全对称性“棒板”气隙-最大不对称性其它类型极不均匀电场气隙击穿特性处于这两种之间。一、直流电压“棒棒”和“棒板”击穿特性见图2-4。“棒板”：负极性击穿电压大大高于正极性击穿电压 图2-4,四、操作冲击电压 250/2500us标准操作冲击波形 随着输电电压的不断提高，操作过电压下的绝缘问题变得越来越突出。特点：1)操作冲击电压波形对气隙的电气强度有很大的影响 击穿电压U50%(s)与波前时间Tct的关系曲线呈现“U”形2)气隙的操作冲击击穿电压3)极不均匀电场长气隙的操作冲击击穿特性具有显著的“饱和现象”4)操作冲击电压下的气隙击穿电压和放电时间的分散性都要比雷

24、电冲击电压下大得多。,2.4 提高气体介质电气强度的方法,提高气隙的击穿电压的两条途径：1)改善气隙中的电场分布，使之进来均匀；2)设法削弱和抑制气体介质中的电离过程。一、改进电极形状以改善电场分布 改进电极形状，利用屏障增大电极的曲率半径二、利用空间电荷改善电场分布 细线效应三、采用屏障 在气隙中放置形状和位置合适、能阻碍带电粒子运动和调整空间电荷分布的屏障。四、采用高气压 提高气压可大大减少电子的自由行程长度，削弱和抑制了电离过程。五、采用高电气强度气体 SF6及其混合气体六、采用高真空 极间距离较大时，”全电压效应“,2.5 六氟化硫和气体绝缘电气设备,SF6的电气强度约为空气的2.5倍

25、，灭弧能力更高达空气的100倍以上。一、SF6的绝缘性能 只有在电场均匀的场合下才能得到充分发挥。(一)均匀和稍不均匀电场中SF6的击穿附着系数；自持放电条件；稍不均匀电场中的特性(二)极不均匀电场中SF6的击穿异常现象 1、工频击穿电压随气压变化的曲线存在驼峰 2、驼峰区段内的冲击击穿电压明显低于静态击穿电压上述现象如图218所示，主要与空间电荷有关(三)影响击穿场强的其它因素1）电极表面缺陷“面积效应”2）导电微粒,三、SF6混合气体 SF6-N2混合气体四、气体绝缘电气设备(一)封闭式气体绝缘组合电器(GIS)优点有4点(二)气体绝缘管道输电线 优点有4点(三)气体绝缘变压器 优点有3点,